求知心切的哈雷对安逸的生活毫不为所动，不久他再次投入艰苦的工作之中。在他远航去圣海伦纳的旅途中，他曾观察到船上的罗盘并不像通常相信的那样总是指向北极。也就是说，地球磁极和北极并不是一回事。尽管可以把这一差别看成是次要的，但是对于航海家和船长来说这却是一个重要的发现。17世纪后半叶的世界性贸易已经开发了许多新的海上通道，竞争十分激烈。正如需要新的星图一样，人们也需要新的和更好的海图，以供海员提高航海效率。1698年，在哈雷的指挥下，第一艘仅为科学目的而被委派和装备起来的船只离开伦敦起航。这艘船命名为“情人红”，虽小却坚固，在海上航行了两年，正是在此期间哈雷和他的团队测量了世界各地的磁偏差，编制了新的航海图表，并且试图测定几十处重要港口的精确纬度和经度。
哈雷回到伦敦，已是一位熟练的海员，他急于开始另一类研究，这次是要钻研几百种古代天文学书籍和图表。在航行中，哈雷开始对古代星表与当代星表之间的许多分歧发生了兴趣。尽管古老的星表有许多明显的错误，有的甚至错得离谱，但他还是注意到，有许多正确标注的恒星位置与近代观测存在差别。经过仔细的研究，他证明至少有三颗主要的恒星：天狼星、南河三和大角星，自从希腊人标注之后，它们的位置已有变化。
某些天文学家正开始怀疑的事，现在哈雷证明是真实的。恒星竟然也在运动。甚至在太阳系之外的天体看来也处于不断的运动之中，并且这种运动是可以预测的——这一推测其实已隐含于牛顿的引力定律中，现在由于哈雷的仔细研究终于证实了它。古代的宇宙观又一次被牛顿的万有引力和几何学观察所粉碎。这个新信息对以后的天文学具有巨大影响。
这幅图标注了哈雷彗星上一次在夜空中出现以来沿着它的轨道运选择的情况但是哈雷的名声却来自于他对彗星的研究。长期以来人们对于彗星在夜空中神秘莫测的出现一直抱着敬畏和迷信的心态。在对古代记录深入思考后，哈雷发现其中存在某种规律。当他试图根据彗星在几个世纪里出现的记录，计算彗星轨道的形状时，他看到计算结果符合牛顿理论。但是，精确的信息实在太少，他不得不放弃自己的计划，直到作出有趣的发现。他的计算强烈地暗示，四个已知的彗星，分别在1456年、1531年、1607年和1682年出现，它们很可能就是同一个彗星，依据牛顿的引力定律，每76年沿自己的轨道返回太阳系内一次。哈雷预言，1758年它还会回来。尽管他在1742年去世，比他的预言实现的年份要早了16年，但今天已被称为哈雷彗星的这颗彗星，却是对这位最早认识其运动规律的天文学家的最好纪念。
新宇宙观
如果恒星和行星都在运动，那么太阳系之外的宇宙就再也没有必要像人们往常认为的那样是神圣、静止和完美的处所。同样，如果牛顿定律对于所有天体都是有效的，就像18世纪中叶的观测事实显示的那样，那么，建立总体宇宙的新模型和新推测就非常必要。
18世纪中叶，一些学者提出各种理论，它们开始彻底改变人类的宇宙观和我们在宇宙中的地位。这些人中有法国作家和博物学家布丰（Georges Louis Leclere de Buffon，1707—1788），强烈宗教信仰的业余科学家莱特（Thomas Wright，1711—1786），年轻的哲学家康德（Immanuel Kant，1724—1804），还有一位是杰出的数学家拉普拉斯（Pierre-SimonLaplace，1749—1827）。
莱特
莱特是兴趣广泛的英国思想家。受过良好教育，并大量读过当时流行的哲学和科学著作。和18世纪许多思想家一样，他被科学观察与思考和宗教信仰之间的矛盾深深困扰。他的天文学观察和阅读引导他去思考：如果围绕太阳运动的行星成了一个轨道系统，那么，有了牛顿引力定律，很可能恒星本身也是某个或者许多类似轨道系统的一部分。然而，如果天空就是这样组成的，那么，在这个机械论和引力相互作用的新宇宙中，上帝的领地在哪里？莱特既不是训练有素的天文学家，也不是严格和系统的思想家，他只是提出了一系列不同的宇宙模型。其中最早的一个模型是，太阳、太阳系以及恒星都围绕着一个巨大的中心运转，这个中心也许是固体，也许不是固体，但无论如何，它是上帝的领地。
在这一巨大系统的外围，远离太阳系和众恒星之处，则是一片神秘黑暗的“冥界”之地，它包围了所有。这是一个极其神秘的体系，但在精心修饰之后，则有某种可取之处。在1750年出版的《宇宙起源理论和新假说》（An Original Theory and New Hypothesis of the Universe）一书中，莱特提出另外一种可能性：宇宙可能实际上是一个旋转着的扁平圆盘，而不是众恒星和太阳系围绕共同的中心运动的壳形。他仍然坚持上帝或者某一神灵占据共同中心的思想，但是他也建议所谓的星云，天空中存在的神秘的雾状的白斑，既不是恒星，也不是行星，而是在远离圆盘之处。
康德
德国思想家康德，可能读过莱特的书，也可能是读过有关的评论，他以敏锐的心智迅疾抓住了莱特那结构松散的思想中的某些要点。
1755年，康德在《自然通史与天体论》（Univeral Nature History and Theory of theHeavens）一书中提出了自己的思想。作为一部理论宇宙学和天文学的著作，它是一项真正意义上的巨大成就。沿着莱特开辟的道路，再加上他本人对牛顿物理学的钻研，康德指出，星际系统和太阳系一样，形状也像一个扁平圆盘。正如太阳系中的行星在黄道带的平面内以椭圆轨道围绕太阳旋转，康德提出，恒星也许也在围绕着一个公共的未知的中心旋转。
遥远星系（NGC 4013）主盘的侧视图，是哈勃空间望远镜在2001年拍摄的。有证据证明围绕圆盘中心的暗带是星际尘埃区，在那里有可能形成新星。不像莱特，康德没有让神灵占据假想的中心位置。康德提出，可见的恒星构成了这一共同“星系”，但是由我们的太阳系以及其他恒星共同组成的，围绕某个未知中心旋转的系统，也许并不是宇宙中存在的独一无二的系统。实际上，宇宙也许是由许多这样的星系组成的。康德进一步指出，我们也许已经看到了那些其他的星系，事实上，它们也许就是天文学家观察到的、莱特提到的星云。康德指出，这些星云大多都是椭圆形或圆盘形，它们离我们是如此之遥远，于是，在所有恒星的映衬之下，它们看上去就像是乳白状的模糊一片。这是一个富有灵感和大胆的思想火花，尽管到20世纪才得以证实，却为宇宙学开辟了一个广阔的新天地：浩瀚无边的宇宙，充满了漂浮、旋转着的岛状星系，这是一个人类从未梦想过的更为宏大壮观的宇宙。
然而必须提醒，康德的思想虽然以牛顿物理学作为基础，富有灵感，但仅是思辨。尽管他富有物理学和数学的修养，但是后来他更多还是以哲学家的身份引人关注，而不是一位真正意义上的物理学家或数学家。
拉普拉斯
1749年出生在法国诺曼底的拉普拉斯则不同于康德。他是一位才华横溢而又富有灵感的数学家，是18世纪最有影响的科学家之一。尽管今天大多数人不一定知道他，但他扎实的数学工作弥补了牛顿留下的某些缺口，并为康德的思辨提供了更为扎实的基础。
1773年，拉普拉斯在考察木星轨道时，想要弄清为何当土星轨道扩张时，木星轨道会出现持续的收缩。在分别发表于1784和1786年之间的三篇论文中，他证明这一现象是周期性的，周期是929年。在详细解释这一现象的理由时，拉普拉斯的论文同时也解决了牛顿遗留下来的一个重要问题，那就是太阳系的稳定问题。牛顿曾经被太阳系各行星之间复杂的引力相互作用这个问题所困扰，并得出结论，为了保持整个系统的稳定，有时需要某种神力的干预。拉普拉斯在他的同事数学家拉格朗日（Joseph-Louis Lagrange，1736—1813）的帮助下，从数学上证明，由于围绕太阳旋转的所有行星都沿同一方向，因此它们相互间的离心率和倾斜度总是足够的小，以至于无须外界的干预，就能保持长期的稳定。或者，如同拉普拉斯所写：
“从整体考虑，行星和卫星的运动都是以接近圆形轨道运行，它们沿同一方向，所处平面相互间只有微不足道的倾斜，这样的系统就会围绕一个平均态振荡，偏移值非常之小。”
拉普拉斯运用牛顿引力理论，成功地说明了所有行星运动。拉普拉斯的星云假说提供了理性和富有成效的方法，解决了恒星如何起源的问题。实际上，拉普拉斯说，太阳系本质上具有一种自我纠错机制，它不需要神力把它扳回原位。
拉普拉斯写过许多重要论文，从数学的角度出发，讨论与牛顿理论及行星和卫星引力相互作用有关的大大小小各种问题。不过，他最通俗、最受读者欢迎的是1796年出版的《宇宙体系论》（Exposition du Syseme du monde），这是一本天文学通俗读物，就在它的后记中，提出了解释太阳系起源的理论。
“星云假说”，拉普拉斯以此来命名自己的设想，但他也许不知道康德已经提出这一假说，只不过没他的严格，并略有不同。不管是谁的星云假说，这一思想很快流传开来，并且被19世纪里大多数天文学家接受。
简单来说，这一假说的大意如下：最初太阳起源于巨大的旋转中的星云或气体云。随着星云旋转，气体收缩，此时其旋转速率不断增大，直到星云中最外面的物质无法靠引力维持为止。在这一过程中，这些气状物质就凝聚在一起，形成一颗行星，而中心星云则继续加快自旋速度并进一步收缩，此时又留下更松散的物质，形成另一颗行星。而中心星云则在中心处形成稳定的太阳。这一理论存在许多疑问和尚未回答的问题，但它却令人耳目一新，因为它是最早尝试运用科学和理性推理来解释太阳系的起源，而没有借助于神灵或超自然的力量。
拉普拉斯知道，他的“理论”已经带有思辨的成分，但是他毫不怀疑，天体的所有奥秘以及其他种种都可以靠数学和牛顿定律的推理加以解决。他不够谦逊，也不够宽厚（他的同事对他往往又忌妒又羡慕），但他却是启蒙运动最虔诚的信徒，对机械论的宇宙观坚信不疑。这是理性时代许多科学家共同的信仰，但是很少有人像他那样进行强有力的表述，他写道：在牛顿的宇宙中，决无偶然现象，假设有这样一种情况，“在一个理智之士看来，只要给出宇宙初始时刻所有作用力的大小，以及所有物质的瞬时状况，就能推断出宇宙中各种最大物体的运动……一切都是确定的，过去和将来都等同于现在”。
然而，并不是18世纪所有的牛顿追随者都是如此雄心勃勃的哲学家。尽管理论依然享有自己的地位，但许多天文学家，特别是在英国，宁可回避这种庞大的理论设想，转向更有效和更实际的研究，把科学革命的教训和牛顿的定律运用到日常的实用天文学之中。
齐心协力：威廉·赫歇尔和凯洛琳·赫歇尔
如果数学家拉普拉斯是18世纪最有影响的理论天文学家，那么，音乐家和业余天文学家威廉·赫歇尔则是启蒙运动最有影响的实干天文学家。赫歇尔1738年生于德国的汉诺威，1757年为了逃避军事服役来到英国。在德国他是一位有名的音乐家（双簧管、风琴、小提琴，样样都会，还当过音乐会主持人），到英国重操旧业，先是教授和翻制音乐。然而不久他就站住了脚，当上了军乐队指挥，成为有名的作曲家和风琴演奏家。1766年，他受雇成为贝斯的奥斯太岗（Octagon）礼拜堂的风琴演奏家。这是一个好职位，使他有时间教学、指挥和作曲。这一工作报酬丰厚，使他有足够的钱发展他在天文学方面的兴趣。1772年，他的妹妹凯洛琳（Caroline Lucretia Herschel，1750—1848）来到英国和他一起工作，此时的赫歇尔对恒星和行星是如此入迷，以致他已读了数百本天文学、微积分和光学的书籍。他还购买了一台小型望远镜，开始把自己的夜晚时间用来凝视贝斯的天空。
凯洛琳很快就被哥哥的热情吸引住了。她也是一位有造诣的音乐家和歌唱家，不久就帮助赫歇尔从事管弦乐作曲、复制他的音乐，同时还表现出对天文学和望远镜几乎同样浓厚的兴趣。就在妹妹来到身边不久，在妹妹的帮助下，赫歇尔建造了第一台小型望远镜。从那时起，就一发而不可收。很快建造了另一台稍大一些的望远镜，接着又添置了一台。
威廉·赫歇尔是一位杰出的音乐家，开始做天文观测时是业余的。但由于发现天王星很快就被公认为18世纪最伟大的观测天文学家之一。这些望远镜都很有趣，要比通常相似长度的望远镜宽许多。当问到为什么他的望远镜与众不同时，他解释说，他不仅追求放大率，而且还注重采集光线的能力。望远镜镜面越大，捕捉到的光线就越多，可以看到的恒星和星云也就越多。赫歇尔早巳迷恋于太阳系以外的宇宙。在他漫长的生涯中，在凯洛琳的帮助下，他确立了星际天文学这一学科，使天文学家的眼界远远超出了太阳系的范围。不过有趣的是，正是有关太阳系内的一件发现使他声名鹊起，也使观测天文学再获生机，并且使他获得世界级知名度。
尽管赫歇尔是一位很有耐性和细心的观测者（他曾测量过一百多个月亮上的环形山，并用三种不同的方法亲自校验了三遍），但他还是更感兴趣于发现而非计算。对于赫歇尔来说，夜空宛如是一个浩瀚隐秘的海洋，因为少有人勘探，因而充满了发现机会。为了能在夜间巡视星空，他设计了一套仔细“扫描”天空的方法。每天夜晚他只对天空的某一块小区域工作，一般仅为两度左右的一条带，在休息之前往往可以巡视两遍。第二天他再巡视临近的另一条，直到把他所在区域的可见夜空逐步扫描完毕。